(57)【要約】【課題】ナノチューブ状物質をその長さによって高い分離能で分離することが困難である。【解決手段】本発明のナノチューブ状物質の分離方法は、長さが異なる複数のナノチューブ状物質を含むナノチューブ混合溶液中に、ナノチューブ状物質の長さの最大値とナノチューブ状物質の長さの最小値との間の孔径を有する細孔を備えたフィルタを配置し、ナノチューブ混合溶液に対して、フィルタのフィルタ面と略平行な基準方向に制御された電磁的作用を施し、少なくともフィルタ近傍のナノチューブ状物質を基準方向と略平行な方向に配向させ、フィルタとナノチューブ混合溶液を相対的に移動させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さが異なる複数のナノチューブ状物質を含むナノチューブ混合溶液中に、前記ナノチューブ状物質の長さの最大値と前記ナノチューブ状物質の長さの最小値との間の孔径を有する細孔を備えたフィルタを配置し、
前記ナノチューブ混合溶液に対して、前記フィルタのフィルタ面と略平行な基準方向に制御された電磁的作用を施し、
少なくとも前記フィルタ近傍の前記ナノチューブ状物質を前記基準方向と略平行な方向に配向させ、
前記フィルタと前記ナノチューブ混合溶液を相対的に移動させる、
ことを特徴とするナノチューブ状物質の分離方法。
【請求項２】
前記電磁的作用は偏光方向を制御したレーザー光を照射するものであり、前記基準方向は前記偏光方向であることを特徴とする請求項１に記載のナノチューブ状物質の分離方法。
【請求項３】
前記電磁的作用は交流電場を印加するものであり、前記基準方向は前記交流電場の振動方向であることを特徴とする請求項１に記載のナノチューブ状物質の分離方法。
【請求項４】
前記ナノチューブ状物質は単層カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のナノチューブ状物質の分離方法。
【請求項５】
長さが異なる複数のナノチューブ状物質を含むナノチューブ混合溶液中に、前記ナノチューブ状物質の長さの最大値と前記ナノチューブ状物質の長さの最小値との間の孔径を有する細孔を備えたフィルタを配置し、
前記ナノチューブ混合溶液に対して、前記フィルタのフィルタ面と略平行な基準方向に制御された電磁的作用を施し、
少なくとも前記フィルタ近傍の前記ナノチューブ状物質を前記基準方向と略平行な方向に配向させ、
前記フィルタと前記ナノチューブ混合溶液を相対的に移動させ、
前記フィルタを通過したナノチューブ混合溶液から、前記ナノチューブ状物質のうち、前記フィルタの前記孔径よりも小さい長さを有するナノチューブ状物質を回収する、
ことを特徴とするナノチューブ状物質の製造方法。
【請求項６】
長さが異なる複数のナノチューブ状物質を含むナノチューブ混合溶液を収容する収容部と、前記収容部に連結され、前記ナノチューブ状物質の一部を回収する回収部と、
前記収容部に設けられ、前記ナノチューブ状物質の長さの最大値と前記ナノチューブ状物質の長さの最小値との間の孔径を有する細孔を備えたフィルタと、
前記ナノチューブ混合溶液に対して、前記フィルタのフィルタ面と略平行な基準方向に制御された電磁的作用であって、少なくとも前記フィルタ近傍の前記ナノチューブ状物質を前記基準方向と略平行な方向に配向させる電磁的作用を発生させる電磁的作用発生装置と、
前記フィルタと前記ナノチューブ混合溶液を相対的に移動させる移動機構、
とを有することを特徴とするナノチューブ状物質の分離装置。
【請求項７】
前記収容部は、前記ナノチューブ混合溶液を貯蔵する貯蔵容器と、前記ナノチューブ混合溶液を流通させる流路とを含み、
前記移動機構は、前記ナノチューブ混合溶液が前記貯蔵容器から流出して前記流路内を流動し、前記フィルタを通過するように前記貯蔵容器と前記流路が配置された構成を備える、
ことを特徴とする請求項６に記載のナノチューブ状物質の分離装置。
【請求項８】
前記移動機構は、前記フィルタを前記収容部内で移動させるフィルタ移動装置を有することを特徴とする請求項６に記載のナノチューブ状物質の分離装置。
【請求項９】
前記電磁的作用は偏光方向を制御したレーザー光を照射するものであり、前記電磁的作用発生装置は、前記偏光方向が前記基準方向と略平行なレーザー光を発生させるレーザー光発生装置であることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載のナノチューブ状物質の分離装置。
【請求項１０】
前記電磁的作用は交流電場を印加するものであり、前記電磁的作用発生装置は、電場の振動方向が前記基準方向と略平行な交流電場を発生させる交流電場発生装置であることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載のナノチューブ状物質の分離装置。
【請求項１１】
前記電磁的作用は交流電場を印加するものであり、前記電磁的作用発生装置は、電場の振動方向が前記基準方向と略平行な交流電場を誘導する交流磁場を発生させる交流磁場発生装置であることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載のナノチューブ状物質の分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノチューブ状物質の分離方法、製造方法及び分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノメートル程度のサイズを持つチューブ状の物質からなるナノチューブ材料は、機械的、電気的、光学的な領域における応用が期待されている。ナノチューブ材料としては、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、窒化ホウ素（ＢＮ）ナノチューブ、有機ナノチューブ、シリコンナノワイヤ、酸化亜鉛ナノワイヤなどが知られている。例えば単層カーボンナノチューブは、特に、その電気的な特徴から半導体装置の層間配線（ビア配線）材料や次世代半導体装置の活性層材料などへの応用が期待されている。
【０００３】
一方、半導体装置の分野では、半導体膜としてアモルファスまたは多結晶のシリコンを用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が知られており、アクティブマトリックス液晶ディスプレイ等のスイッチング素子として実用化されている。
【０００４】
近年、ＴＦＴ用の半導体膜の材料としてナノチューブ材料を用いることが検討されている。例えば、単層カーボンナノチューブを含む薄膜を用いて作製したＴＦＴの一例が特許文献１に記載されている。このような単層カーボンナノチューブを用いたＴＦＴには、アモルファスまたは多結晶のシリコンを用いたＴＦＴに比べ、製造プロセスの低温化が図れるという利点がある。そのため、プラスチック基板上への回路の形成が可能になり、装置の軽量化、低コスト化が図れるなど、多くの効果が期待されている。
【０００５】
特許文献１に記載されたＴＦＴの活性層においては、単層カーボンナノチューブがランダムに配向しネットワークを形成している。この単層カーボンナノチューブによるランダムネットワークは、複数の単層カーボンナノチューブが重なりあい、ソース・ドレイン電極間を架橋することにより活性層を形成している。このとき、活性層中の単層カーボンナノチューブ内を流れる電子はバリスティック伝導により伝導する。一方、単層カーボンナノチューブ同士が互いに重なり合った箇所では、電子はこの接触箇所を通って単層カーボンナノチューブ間を移動する。そのため、単層カーボンナノチューブ内の電子伝導のみによって活性層中を電子が移動する場合に比べて、接触抵抗が発生することによりＴＦＴの電気的特性に影響が生じる。すなわち、活性層における単層カーボンナノチューブ同士の接触箇所の個数にばらつきが存在すると、個々のＴＦＴの電気的特性にも、ばらつきが生じる。
【０００６】
ここで、単層カーボンナノチューブ同士の接触箇所の個数は、単層カーボンナノチューブの長さの分布に依存する。しかし、現在の単層カーボンナノチューブの製造方法では、特定の長さを有する単層カーボンナノチューブだけを選択的に合成することは困難であり、関連する単層カーボンナノチューブの長さには必ずばらつきが存在する。そのため、これらの単層カーボンナノチューブを用いて作製した関連するＴＦＴは、その電気的特性にばらつきが生じるという問題があった。
【０００７】
単層カーボンナノチューブをその長さによって分離する方法の一例が特許文献２に記載されている。特許文献２では、カーボンナノチューブを含む溶液をフィルタで濾過する場合において、フィルタの孔径を適切に選択することにより、カーボンナノチューブ溶液に含まれる単層カーボンナノチューブの長さをある程度の長さ以下にそろえることが可能であるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−０７１８９８号公報（段落「００２０」〜「００３２」）
【特許文献２】特開２００７−３２０８２８号公報（段落「００３４」、図３）
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「ナノ  レターズ（ＮＡＮＯ  ＬＥＴＴＥＲＳ）」、（米国）、アメリカ化学会（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）、２００２年８月３０日、第２巻、第１０号、ｐ．１１３７−１１４１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献２に記載された単層カーボンナノチューブの長さによる分離方法においては、フィルタの孔径よりも長い単層カーボンナノチューブであってもフィルタを通過してしまう場合があった。これは単層カーボンナノチューブは柔軟性を有し、かつ、溶液中で自由に回転することができるためである。その結果、単層カーボンナノチューブなどのナノチューブ状物質をその長さによって分離する場合、分離能が低いという問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、上述した課題であるナノチューブ状物質をその長さによって高い分離能で分離することが困難である、という課題を解決するナノチューブ状物質の分離方法、製造方法及び分離装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のナノチューブ状物質の分離方法は、長さが異なる複数のナノチューブ状物質を含むナノチューブ混合溶液中に、ナノチューブ状物質の長さの最大値とナノチューブ状物質の長さの最小値との間の孔径を有する細孔を備えたフィルタを配置し、ナノチューブ混合溶液に対して、フィルタのフィルタ面と略平行な基準方向に制御された電磁的作用を施し、少なくともフィルタ近傍のナノチューブ状物質を基準方向と略平行な方向に配向させ、フィルタとナノチューブ混合溶液を相対的に移動させる。
【００１３】
本発明のナノチューブ状物質の製造方法は、長さが異なる複数のナノチューブ状物質を含むナノチューブ混合溶液中に、ナノチューブ状物質の長さの最大値とナノチューブ状物質の長さの最小値との間の孔径を有する細孔を備えたフィルタを配置し、ナノチューブ混合溶液に対して、フィルタのフィルタ面と略平行な基準方向に制御された電磁的作用を施し、少なくともフィルタ近傍のナノチューブ状物質を基準方向と略平行な方向に配向させ、フィルタとナノチューブ混合溶液を相対的に移動させ、フィルタを通過したナノチューブ混合溶液から、ナノチューブ状物質のうち、フィルタの孔径よりも小さい長さを有するナノチューブ状物質を回収する。
【００１４】
本発明のナノチューブ状物質の分離装置は、長さが異なる複数のナノチューブ状物質を含むナノチューブ混合溶液を収容する収容部と、収容部に連結され、ナノチューブ状物質の一部を回収する回収部と、収容部に設けられ、ナノチューブ状物質の長さの最大値とナノチューブ状物質の長さの最小値との間の孔径を有する細孔を備えたフィルタと、ナノチューブ混合溶液に対して、フィルタのフィルタ面と略平行な基準方向に制御された電磁的作用であって、少なくともフィルタ近傍のナノチューブ状物質を基準方向と略平行な方向に配向させる電磁的作用を発生させる電磁的作用発生装置と、フィルタとナノチューブ混合溶液を相対的に移動させる移動機構、とを有する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のナノチューブ状物質の分離方法によれば、ナノチューブ状物質をその長さによって高い分離能で分離することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るナノチューブ状物質の分離方法および製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】本明細書におけるナノチューブ状物質を模式的に示した概略図である。
【図３】電界中のナノチューブ状物質を模式的に示した概略図である。
【図４】本発明の第１の実施形態によるカーボンナノチューブ混合溶液を収容する容器及び容器内のカーボンナノチューブを模式的に示した概略図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による別のカーボンナノチューブ混合溶液を収容する容器及び容器内のカーボンナノチューブを模式的に示した概略図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による、さらに別のカーボンナノチューブ混合溶液を収容する容器及び容器内のカーボンナノチューブを模式的に示した概略図である。
【図７】本発明の第１の実施形態によるカーボンナノチューブ混合溶液中にフィルタを配置したときのカーボンナノチューブを模式的に示した概略図である。
【図８】関連するカーボンナノチューブ混合溶液中にフィルタを配置したときのカーボンナノチューブを模式的に示した概略図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係るナノチューブ状物質の分離装置の断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係るナノチューブ状物質の分離装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係るナノチューブ状物質の分離方法および製造方法を説明するためのフローチャートである。本実施形態では、まず、長さが異なる複数のナノチューブ状物質を含むナノチューブ混合溶液中に、フィルタを配置する（ステップＳ１１）。このフィルタは細孔を備え、細孔の孔径はナノチューブ状物質の長さの最大値とナノチューブ状物質の長さの最小値との間の大きさである。
【００１９】
このナノチューブ混合溶液に対して、フィルタのフィルタ面と略平行な基準方向に制御された電磁的作用を施し（ステップＳ１２）、少なくともフィルタ近傍のナノチューブ状物質を基準方向と略平行な方向に配向させる（ステップＳ１３）。そして、フィルタとナノチューブ混合溶液を相対的に移動させる（ステップＳ１４）。これにより、フィルタの孔径より大きい長さを有するナノチューブ状物質はフィルタ面上に捕獲され、フィルタの孔径より小さい長さを有するナノチューブ状物質はフィルタを通過するので、ナノチューブ状物質をその長さによって高い分離能で分離することができる。また、フィルタ面上に捕獲されたナノチューブ状物質、またはフィルタを通過したナノチューブ状物質を回収する（ステップＳ１５）ことにより、その長さに応じて高い分離能で分離したナノチューブ状物質を得ることができる。
【００２０】
ここで、本明細書においてナノチューブ状物質とは、ナノチューブ材料およびシリコンナノワイヤ、酸化亜鉛ナノワイヤ、金属ナノロッド類などを含めたものをいう。ナノチューブ材料としては、単層カーボンナノチューブ、金属内包カーボンナノチューブ、フラーレン内包単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ等のカーボンナノチューブ類が好適に用いられるが、これに限らず、窒化ホウ素（ＢＮ）ナノチューブ、有機ナノチューブなどを用いることもできる。
【００２１】
また、本明細書においてフィルタ面とは、フィルタとナノチューブ混合溶液の相対的な移動方向に垂直な面をいうものとする。
【００２２】
次に、本明細書におけるナノチューブ状物質の向きと長さについて図２を用いて説明する。図２に示すように、ナノチューブ状物質１００とナノチューブ状物質１００を完全に内包する長方形の辺とが二点以上で接し、かつ、この長方形の面積が最小となる場合を考える。本明細書においては、このナノチューブ状物質を内包する長方形の短辺１０１とナノチューブ状物質を内包する長方形の長辺１０２の比が１：２となるとき、この長方形の長辺方向の向きを「ナノチューブ状物質の向き１０３」と、長方形の長辺１０２の長さを「ナノチューブ状物質の長さ」という。また本明細書においてナノチューブ状物質が「所定の方向に配向した状態」とは、所定の方向に対するナノチューブ状物質群の配向確率分布をｐ（θ）としたとき、ｐ（θ）の半値全幅がθ＝±１５度以下である状態のことをいう。
【００２３】
次に、本実施形態によるナノチューブ状物質の配向について（図１のステップＳ１２、Ｓ１３）、詳細に説明する。ここでは、電磁的作用として電場を印加する場合を例にとって説明する。図３は、電場中の１本のナノチューブ状物質１１１を模式的に示した概略図である。ナノチューブ状物質１１１は、例えば単層カーボンナノチューブで代表される。ナノチューブ状物質１１１を電場Ｅ（電場の方向１１２）の中に置くと、その両端に＋ｑおよび−ｑの誘電分極が生じる。この誘電分極によって生じた双極子モーメントと電場Ｅにより、ナノチューブ状物質１１１にはトルクＴ（トルクの方向１１３）が生じる。このトルクＴはナノチューブ状物質が電界の方向１１２と平行に配列するときに最小となる。したがって、特定の方向に制御された電磁的作用、例えば、直線偏光したレーザー光や交流電場をナノチューブ状物質に施すことにより、ナノチューブ状物質を電場の方向へ配向させることができる。
【００２４】
このトルクＴの強度は、ナノチューブ状物質の分極率により変化する。また、ナノチューブ状物質はその構造により異なる分極率を有する。例えば単層カーボンナノチューブについて、非特許文献１に開示されている一般的な数値を用いて分極率を求めると、単層カーボンナノチューブの分極率の最小値は約５０〜７００Å２、最大値は１０６Å２のオーダとなる。したがって、ナノチューブ状物質の分極率に応じて定まる電場強度を有する電場を印加することによりナノチューブ状物質を配向させることができる。
【００２５】
以下にナノチューブ状物質を配向させるのに必要な電場の強度について、さらに詳細に説明する。ナノチューブ状物質と電場との相互作用は以下に示す式を用いて表すことができる。すなわち、孤立した一本のナノチューブ状物質において、ナノチューブ状物質の長さをＬ、ナノチューブ状物質と電場Ｅとの成す角をθ、ナノチューブ状物質の分極テンソルをαとすると、電場中のナノチューブ状物質に与えられるトルクＴは次式で表される。
Ｔ（θ）＝αＬＥ２ｓｉｎ（２θ）                          （１）
また、そのときにナノチューブ状物質が持つエネルギーＵは
Ｕ（θ）＝（１／２）αＬＥ２ｓｉｎ２（θ）                 （２）
と表すことができる。ナノチューブ状物質が電場に対してθの角度へ向く確率ｐ（θ）は、エネルギーの式とデバイ−ランジュバン（Ｄｅｂｙｅ−Ｌａｎｇｅｖｉｎ）の式から、
ｐ（θ）∝ａ×ｅｘｐ（−αＥ２Ｌｓｉｎ２θ／２ｋＴ）      （３）
となる。ここで、ａは規格化定数、ｋはボルツマン定数、Ｔはナノチューブの温度である。配向した状態に必要な電場強度は、上述の定義よりｐ（θ）の半値全幅がθ＝±１５度となるのに必要な電場であるから、次の式が成り立つ。
０．５ｐ（０）＝ｐ（１５）                               （４）
この式を用いて、半導体性を有する単層カーボンナノチューブ及び金属性を有する単層カーボンナノチューブについて、配向した状態に必要な電場強度を求めると以下のようになる。ここで各数値には、それぞれ一般的に知られている値として以下のものを用いた。半導体性を有する単層カーボンナノチューブの分極テンソルαは非特許文献１より１．１×１０３Å２とし、単層カーボンナノチューブの長さは１μｍ、温度Ｔは３００Ｋとした。このとき、式（４）を満たす電場の強度Ｅｓは約１００Ｖ／ｍとなる。一方、金属性を有する単層カーボンナノチューブの場合、分極テンソルαは非特許文献１より７．８×１０５Å２とし、単層カーボンナノチューブの長さは１μｍ、温度Ｔは３００Ｋとした。このとき、式（４）を満たす電場の強度Ｅｍは約３Ｖ／ｍとなる。
【００２６】
以上より、分極率のより小さな半導体性を有する単層カーボンナノチューブを配向させるために必要な電場を作用させることにより、半導体性及び金属性を有する単層カーボンナノチューブのいずれをも電場の方向に配向させることができることがわかる。ここで、単層カーボンナノチューブの長さは１μｍとしたが、式（１）からわかるようにナノチューブ状物質に与えられるトルクＴはナノチューブ状物質の長さＬに比例する。したがって、ナノチューブ混合溶液に含まれるナノチューブ状物質の長さの最大値を考慮して電場の強度を決定することにより、ナノチューブ混合溶液に含まれる全てのナノチューブ状物質を電場の方向に配向させることができる。
【００２７】
次に、本実施形態による、ナノチューブ混合溶液に含まれるナノチューブ状物質の配向方法について（図１のステップＳ１２、Ｓ１３）、図面を用いて詳細に説明する。ここでは、異なる長さを有する単層カーボンナノチューブを含む単層カーボンナノチューブの混合溶液を用いて説明するが、これに限らず、その他のナノチューブ状物質についても同様の方法により配向させることができる。
【００２８】
図４は、電磁的作用としてレーザー光を照射する場合における、カーボンナノチューブ混合溶液を収容する容器及び容器内のカーボンナノチューブを模式的に示した概略図である。図４（ａ）に示すように、収容部としての容器２０１内に充填した単層カーボンナノチューブ混合溶液に対して、偏光方向を制御したレーザー光２０２を照射し、レーザー照射領域２０３および非照射領域２０４を形成する。図４（ｂ）に、非照射領域２０４におけるカーボンナノチューブ２０５の状態を模式的に示す。容器壁２０７内に存在するカーボンナノチューブ２０５はいずれも溶液中においてランダムな方向に向いている。
【００２９】
図４（ｃ）に、レーザー照射領域２０３におけるカーボンナノチューブの状態を模式的に示す。本実施形態では、レーザー照射領域２０３における全てのカーボンナノチューブ２０５がレーザー光２０２の光電場によりレーザー光２０２の偏光方向２０８に配向するように、レーザー光２０２の強度を制御した。このとき、カーボンナノチューブ２０５はレーザー光２０２が照射され続ける限り、光電場の偏光方向２０８へと配向し続けるため、レーザー照射領域２０３はカーボンナノチューブ２０５が配向した領域となる。
【００３０】
図５は、電磁的作用として交流電場を印加する場合における、カーボンナノチューブ混合溶液を収容する容器及び容器内のカーボンナノチューブを模式的に示した概略図である。図５（ａ）に示すように、容器２０１内に一対の交流電圧発生用電極２０９が設けられ、単層カーボンナノチューブ混合溶液が充填されている。交流電圧発生用電極２０９の間に交流電圧を印加し、容器２０１内に交流電場印加領域２０３−２および交流電場非印加領域２０４−２を形成する。図５（ｂ）に、交流電場非印加領域２０４−２におけるカーボンナノチューブ２０５の状態を模式的に示す。容器壁２０７内に存在するカーボンナノチューブはいずれも溶液中においてランダムな方向に向いている。
【００３１】
図５（ｃ）に、交流電場印加領域２０３−２におけるカーボンナノチューブの状態を模式的に示す。本実施形態では、交流電場印加領域２０３−２における全てのカーボンナノチューブ２０５が交流電圧発生用電極２０９間に印加された電場の方向２１０に配向するように、交流電場の強度を制御した。このとき、カーボンナノチューブ２０５は交流電場が印加され続ける限り、電場の方向２１０へと配向し続けるため、交流電場印加領域２０３−２はカーボンナノチューブ２０５が配向した領域となる。
【００３２】
図６に、交流磁場発生装置を用いて電磁的作用を施す場合における、カーボンナノチューブ混合溶液を収容する容器及び容器内のカーボンナノチューブを模式的に示した概略図を示す。図６（ａ）に示すように、容器２０１内に交流磁場発生装置２１１が設けられ、単層カーボンナノチューブ混合溶液が充填されている。交流磁場発生装置２１１による交流磁場によって誘導された交流電場を発生させ、容器２０１内に交流電場発生領域２０３−３および交流電場非発生領域２０４−３を形成する。図６（ｂ）に、交流電場非発生領域２０４−３におけるカーボンナノチューブ２０５の状態を模式的に示す。容器壁２０７内に存在するカーボンナノチューブはいずれも溶液中においてランダムな方向に向いている。
【００３３】
図６（ｃ）に、交流電場発生領域２０３−３におけるカーボンナノチューブの状態を模式的に示す。交流磁場発生装置２１１によって発生した磁場の方向２１２と誘導された電場の方向２１３は垂直となる。本実施形態では、交流電場発生領域２０３−３における全てのカーボンナノチューブ２０５は交流磁場発生装置２１１によって発生した磁場に誘導された電場の方向２１３に配向するように、交流磁場の強度を制御した。このとき、カーボンナノチューブ２０５は交流磁場が印加され続ける限り、誘導された電場の方向２１３へと配向し続けるため、交流電場発生領域２０３−３はカーボンナノチューブ２０５が配向した領域となる。
【００３４】
次に、本実施形態による、配向させたナノチューブ状物質をその長さに応じて分離する方法について（図１のステップＳ１１、Ｓ１４）、図面を用いて詳細に説明する。図７は、カーボンナノチューブ混合溶液中にフィルタを配置したときのカーボンナノチューブ３０５を模式的に示した概略図である。図７（ａ）に示すように、フィルタ基材３０１に細孔３０２を備えたフィルタ３０３がカーボンナノチューブ混合溶液中に配置される（図１のステップＳ１１）。カーボンナノチューブ混合溶液には、フィルタ３０３の細孔３０２の平均孔径Ａよりも大きい長さを有するカーボンナノチューブを含む長片カーボンナノチューブ群３０６−１と、孔径Ａよりも小さい長さを有するカーボンナノチューブを含む短片カーボンナノチューブ群３０６−２が含まれる。
【００３５】
上述した電磁的作用により、カーボンナノチューブ混合溶液中には、カーボンナノチューブ３０５がランダムな方向を向いている非配向領域３０７と、カーボンナノチューブ３０５が電磁的作用によりフィルタ面と平行な方向に配向した配向領域３０８が形成されている（図１のステップＳ１２、Ｓ１３）。配向領域３０８はフィルタ３０３の近傍に形成され、より好適にはフィルタ３０３に接して形成される。ここで、フィルタ３０３とカーボンナノチューブ混合溶液を、図７（ａ）中に示す移動方向３０４の向きに相対速度ｖで相対的に移動させる（図１のステップＳ１４）。フィルタ３０３とカーボンナノチューブ混合溶液を相対的に移動させる方法として、カーボンナノチューブ溶液をフィルタ３０３の方向へ流動させる方法と、カーボンナノチューブ混合溶液中においてフィルタ３０３を移動させる方法のいずれを用いることとしてもよい。図７ではフィルタ３０３を移動方向３０４の向きに移動させる場合を示す。
【００３６】
図７（ｂ）に、フィルタ３０３とカーボンナノチューブ混合溶液を相対的に移動させた後のカーボンナノチューブを模式的に示した概略図を示す。配向領域３０８の長片カーボンナノチューブ群３０６−１はフィルタ３０３と平行な方向に配向している。そして細孔３０２の孔径は、カーボンナノチューブの長さの最大値とカーボンナノチューブの長さの最小値との間の大きさとなっている。したがって、長片カーボンナノチューブ群３０６−１は細孔３０２を通過することができない。その結果、長片カーボンナノチューブ群３０６−１はフィルタ３０３の表面に蓄積されカーボンナノチューブ残渣３０９を形成する。一方、短片カーボンナノチューブ群３０６−２は、その長さよりも大きい孔径Ａを有する細孔３０２を通過しフィルタ３０３の後方にカーボンナノチューブ溶液３１０を形成する。
【００３７】
以上より、長片カーボンナノチューブ群はカーボンナノチューブ残渣３０９に、短片カーボンナノチューブ群はカーボンナノチューブ溶液３１０に、それぞれ分離される。そして、カーボンナノチューブ残渣３０９から長片カーボンナノチューブ群を、カーボンナノチューブ溶液３１０から短片カーボンナノチューブ群３０６−２をそれぞれ回収することにより（図１のステップＳ１５）、フィルタの孔径Ａを基準とし、その長さに応じて高い分離能で分離したナノチューブ状物質を得ることができる。
【００３８】
上述のように回収したナノチューブ状物質について、その長さの分布を測定した。測定には、ナノチューブ状物質をシリコン基板表面などの平坦な面に配置し、個々のナノチューブ状物質の長さを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定し統計的に評価する手法、またはナノチューブ状物質を水溶液へ単分散させ、粒度分布計測装置により粒子長さの分布を測定する方法などを用いることができる。本実施形態によるカーボンナノチューブ溶液３１０について測定した結果、フィルタの孔径Ａよりも小さい長さを有するカーボンナノチューブの組成比率が向上していることが確認できた。
【００３９】
図８に比較例として、関連するカーボンナノチューブ混合溶液中にフィルタを配置したときのカーボンナノチューブを模式的に示す。関連するカーボンナノチューブ混合溶液中においては、フィルタ３０３近傍の全域にわたって、長片カーボンナノチューブ群３０６−１と短片カーボンナノチューブ群はいずれもランダムな方向を向いている（図８（ａ））。ここで、カーボンナノチューブ混合溶液中でフィルタ３０３を移動方向３０４の向きに相対速度ｖで移動させる。この場合、フィルタ３０３の表面には細孔３０２を通過することができない残渣３１１と、細孔３０２を通過したカーボンナノチューブを含むフィルタ通過溶液３１２が形成される（図８（ｂ））。しかしながら、カーボンナノチューブは柔軟性を有し、かつ、フィルタ３０３に対してランダムな方向を向いて接するため、長片カーボンナノチューブ群または短片カーボンナノチューブ群はいずれも同じ割合で細孔３０２を通過する。そのため、残渣３１１とフィルタ通過溶液３１２における、長片カーボンナノチューブ群と短片カーボンナノチューブ群の存在割合は変化しない。したがって、関連するカーボンナノチューブ混合溶液中にフィルタを配置し、カーボンナノチューブ混合溶液中でフィルタを移動させることとしても、カーボンナノチューブをその長さによって高い分離能で分離することはできない。
【００４０】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図９は、本発明の第２の実施形態に係るナノチューブ状物質の分離装置４００の断面図である。ナノチューブ状物質の分離装置４００は、ナノチューブ混合溶液を収容する収容部を構成する貯蔵容器４０１と流路４０２と、流路４０２の貯蔵容器４０１と反対側に接続された回収部としての回収容器４０３、流路４０２内に設けられたフィルタ４０４と、電磁的作用を発生させる電磁的作用発生装置としてのレーザー光源４０５とを有する。フィルタ４０４は、ナノチューブ状物質の長さの最大値とナノチューブ状物質の長さの最小値との間の孔径を有する細孔を備えている。ここで、貯蔵容器４０１と流路４０２は、ナノチューブ混合溶液が貯蔵容器から流出して流路４０２内を流動し、フィルタ４０４を通過するように配置されており、移動機構を構成している。
【００４１】
ナノチューブ混合溶液には、長さが異なる複数のナノチューブ状物質が含まれている。本実施形態では、長さＬが０．１マイクロメートルから３マイクロメートルの分布を持つ単層カーボンナノチューブの混合物を用いた。この単層カーボンナノチューブの混合物を、ホーン（Ｈｏｒｎ）型超音波分散器により溶媒としての界面活性剤水溶液中に分散させた。この後に、超遠心分離を行って得られた溶液の上澄みを分取することにより、カーボンナノチューブ混合溶液が得られる。
【００４２】
貯蔵容器４０１に導入されたカーボンナノチューブ混合溶液は、貯蔵容器４０１から流出し、流路４０２内を移動しながらフィルタ４０４を通過して回収容器４０３に至る移動経路４０６を流動する。本実施形態ではフィルタ４０４として細孔の平均直径が約０．５マイクロメートルであるメンブレンフィルタを用いた。
【００４３】
フィルタ４０４近傍の貯蔵容器４０１側の流路内を流動するカーボンナノチューブ混合溶液に対して、レーザー光源４０５からレーザー光４０７が照射される。ここでレーザー光４０７は、フィルタ面と略平行な偏光方向４０８に制御されている。そして、レーザー光４０７の強度は、カーボンナノチューブ混合溶液に含まれる全てのカーボンナノチューブがレーザー光４０７の光電場により偏光方向４０８に配向するように制御した。カーボンナノチューブはレーザー光４０７が照射され続ける限り、光電場の偏光方向４０８へと配向し続けるため、レーザー光４０７が照射された領域にカーボンナノチューブが配向した配向領域４０９が形成される。
【００４４】
フィルタ面と略平行な偏光方向４０８に配向したカーボンナノチューブの内、フィルタ４０４の細孔の平均直径である０．５マイクロメートルよりも大きい長さを有するカーボンナノチューブは、フィルタ４０４を通過できないので、フィルタ４０４の表面にカーボンナノチューブ残渣として堆積する。一方、フィルタ４０４の細孔の平均直径である０．５マイクロメートルよりも小さい長さを有するカーボンナノチューブはフィルタ４０４を通過しカーボンナノチューブ溶液４１０として流路４０２内を移動経路４０６に沿ってさらに流動し、回収容器４０３に至る。
【００４５】
回収容器４０３から回収されたカーボンナノチューブ溶液４１０とフィルタ４０４の表面に堆積したカーボンナノチューブ残渣について、それぞれ単分散化処理を行った後にシリコン基板表面に塗布し、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いてその長さの分析を行った。その結果、カーボンナノチューブ残渣は、０．５マイクロメートルから３マイクロメートルの長さ分布を持つ単層カーボンナノチューブであることがわかった。一方、カーボンナノチューブ溶液４１０は、０．１マイクロメートルから０．５マイクロメートルの長さ分布を持つ単層カーボンナノチューブであることが確認できた。上述したように、本実施形態に係るナノチューブ状物質の分離装置４００によれば、ナノチューブ状物質をその長さによって高い分離能で分離することができる。
【００４６】
本実施形態では、電磁的作用発生装置としてレーザー光源を用いることとしたが、これに限らず、電場の振動方向がフィルタ面と略平行な交流電場を発生させる交流電場発生装置、または電場の振動方向がフィルタ面と略平行な交流電場を誘導する交流磁場を発生させる交流磁場発生装置を用いることとしてもよい。
【００４７】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図１０は、本発明の第３の実施形態に係るナノチューブ状物質の分離装置５００の断面図である。図１０（ａ）に示すように、ナノチューブ状物質の分離装置５００は、ナノチューブ混合溶液５０１を収容する収容部を構成する容器５０２と、この容器５０２内に設けられたフィルタ５０３−１、５０３−２と、電磁的作用発生装置としての交流電場発生装置を構成する電場印加用電極５０４−１、５０４−２とを有する。電場印加用電極５０４−１はフィルタ５０３−１の近傍に、電場印加用電極５０４−２はフィルタ５０３−２の近傍にそれぞれ配置され、フィルタ移動装置５０５により電場印加用電極とフィルタは連動して容器５０２の上下方向に移動可能に構成されている。フィルタ５０３−１、５０３−２は、ナノチューブ状物質の長さの最大値とナノチューブ状物質の長さの最小値との間の孔径を有する細孔を備えている。本実施形態ではフィルタ５０３−１として細孔の平均直径が約１マイクロメートルであるメンブレンフィルタを、フィルタ５０３−２として細孔の平均直径が約０．７マイクロメートルであるメンブレンフィルタをそれぞれ用いた。
【００４８】
ナノチューブ混合溶液５０１には、長さが異なる複数のナノチューブ状物質が含まれている。本実施形態では、長さＬが０．１マイクロメートルから３マイクロメートルの分布を持つ単層カーボンナノチューブの混合物を用いた。この単層カーボンナノチューブの混合物を、ホーン（Ｈｏｒｎ）型超音波分散器により溶媒としての界面活性剤水溶液中に分散させた。この後に、超遠心分離を行って得られた溶液の上澄みを分取することにより、カーボンナノチューブ混合溶液５０１が得られる。
【００４９】
フィルタ５０３−１近傍のカーボンナノチューブ混合溶液５０１に対して、電場印加用電極５０４−１を介して交流電場が印加される。この交流電場は、フィルタ面と略平行な方向に電場の振動方向５０６が制御されている。そして、電場の強度は、カーボンナノチューブ混合溶液に含まれる全てのカーボンナノチューブが電場の振動方向５０６に配向するように制御した。カーボンナノチューブは交流電場が印加され続ける限り、電場の振動方向５０６へと配向し続けるため、交流電場が印加された領域にカーボンナノチューブが配向した配向領域５０７−１が形成される。
【００５０】
次に、図１０（ｂ）に示すように、フィルタ移動装置５０５によりフィルタ５０３−１と電場印加用電極５０４−１を、ナノチューブ混合溶液５０１の表面に向かう方向（図１０のフィルタ移動方向５０８）に移動させる。このときフィルタ面と略平行な電場の振動方向５０６に配向したカーボンナノチューブの内、フィルタ５０３−１の細孔の平均直径である１マイクロメートルよりも大きい長さを有するカーボンナノチューブは、フィルタ５０３−１を通過できないので、フィルタ５０３−１の表面にカーボンナノチューブ残渣５０９−１として堆積する。一方、フィルタ５０３−１の細孔の平均直径である１マイクロメートルよりも小さい長さを有するカーボンナノチューブは、フィルタ５０３−１を通過しカーボンナノチューブ溶液５１０−１として容器５０２のフィルタ５０３−１よりも下部領域に残留する。フィルタ５０３−１と電場印加用電極５０４−１をナノチューブ混合溶液５０１の表面まで移動させた後、容器５０２から取り出す。
【００５１】
次に、図１０（ｃ）に示すように、フィルタ５０３−２近傍のカーボンナノチューブ溶液５１０−１に対して、電場印加用電極５０４−２を介して交流電場が印加される。この交流電場は、フィルタ面と略平行な方向に電場の振動方向５０６が制御されている。そして、電場の強度は、カーボンナノチューブ溶液に含まれる全てのカーボンナノチューブが電場の振動方向５０６に配向するように制御した。カーボンナノチューブは交流電場が印加され続ける限り、電場の振動方向５０６へと配向し続けるため、交流電場が印加された領域にカーボンナノチューブが配向した配向領域５０７−２が形成される。
【００５２】
続いて、フィルタ移動装置５０５によりフィルタ５０３−２と電場印加用電極５０４−２を、カーボンナノチューブ溶液５１０−１の表面に向かう方向（図１０のフィルタ移動方向５０８）に移動させる。このときフィルタ面と略平行な電場の振動方向５０６に配向したカーボンナノチューブの内、フィルタ５０３−２の細孔の平均直径である０．７マイクロメートルよりも大きい長さを有するカーボンナノチューブは、フィルタ５０３−２を通過できないので、フィルタ５０３−２の表面にカーボンナノチューブ残渣５０９−２として堆積する。一方、フィルタ５０３−２の細孔の平均直径である０．７マイクロメートルよりも小さい長さを有するカーボンナノチューブは、フィルタ５０３−２を通過しカーボンナノチューブ溶液５１０−２として容器５０２のフィルタ５０３−２よりも下部領域に残留する。
【００５３】
次に、フィルタ５０３−２と電場印加用電極５０４−２をカーボンナノチューブ溶液５１０−１の表面まで移動させる。この後に、容器５０２から回収されたカーボンナノチューブ溶液５１０−２と、フィルタ５０３−１及びフィルタ５０３−２の表面にそれぞれ堆積したカーボンナノチューブ残渣５０９−１、５０９−２について、それらの長さ分布の評価を行った。それぞれの試料について単分散化処理を行った後にシリコン基板表面に塗布し、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて評価を行った。その結果、カーボンナノチューブ残渣５０９−１は１マイクロメートルから３マイクロメートルの長さ分布を持つ単層カーボンナノチューブであり、カーボンナノチューブ残渣５０９−２は０．７マイクロメートルから１マイクロメートルの長さ分布を持つ単層カーボンナノチューブであることがわかった。一方、カーボンナノチューブ溶液５１０−２は０．１マイクロメートルから０．７マイクロメートルの長さ分布を持つ単層カーボンナノチューブであることが確認できた。上述したように、本実施形態に係るナノチューブ状物質の分離装置５００によれば、ナノチューブ状物質をその長さに応じて高い分離能で分離することができる。
【００５４】
本実施形態では、電磁的作用発生装置として交流電場発生装置を用いることとしたが、これに限らず、偏光方向がフィルタ面と略平行なレーザー光を発生させるレーザー光発生装置、または電場の振動方向がフィルタ面と略平行な交流電場を誘導する交流磁場を発生させる交流磁場発生装置を用いることとしてもよい。
【００５５】
本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５６】
１００、１１１    ナノチューブ状物質
１０１    ナノチューブ状物質を内包する長方形の短辺
１０２    ナノチューブ状物質を内包する長方形の長辺
１０３    ナノチューブ状物質の向き
１１２    電場の方向
１１３    トルクの方向
２０１    容器
２０２、４０７    レーザー光
２０３    レーザー照射領域
２０３−２    交流電場印加領域
２０３−３    交流電場発生領域
２０４    非照射領域
２０４−２    交流電場非印加領域
２０４−３    交流電場非発生領域
２０５、３０５    カーボンナノチューブ
２０７    容器壁
２０８、４０８    偏光方向
２０９    交流電圧発生用電極
２１０    電場の方向
２１１    交流磁場発生装置
２１２    磁場の方向
２１３    誘導された電場の方向
３０１    フィルタ基材
３０２    細孔
３０３、４０４、５０３−１、５０３−２    フィルタ
３０４    移動方向
３０６−１    長片カーボンナノチューブ群
３０６−２    短片カーボンナノチューブ群
３０７    非配向領域
３０８、４０９、５０７−１、５０７−２    配向領域
３０９、５０９−１、５０９−２    カーボンナノチューブ残渣
３１０、４１０、５１０−１、５１０−２    カーボンナノチューブ溶液
３１１    残渣
３１２    フィルタ通過溶液
４００、５００    ナノチューブ状物質の分離装置
４０１    貯蔵容器
４０２    流路
４０３    回収容器
４０５    レーザー光源
４０６    移動経路
５０１    ナノチューブ混合溶液
５０２    容器
５０４−１、５０４−２    電場印加用電極
５０５    フィルタ移動装置
５０６    電場の振動方向
５０８    フィルタ移動方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010269979.tif 000009
【図８】
2010269979.tif 000010
【図９】
2010269979.tif 000011
【図１０】
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